导读聚焦
● 蛋白质-小分子相互作用
小分子代谢物的功能研究是近年来的热门领域。除代谢组学外，化学蛋白质组学也是常用的工具，利用与靶蛋白质发生特异性相互作用的化学小分子来干扰和探测蛋白质组,从而准确找到小分子作用靶点。本期Nature Chemical Biology的两篇论文分别通过靶标响应可及性变化谱TRAP和荧光探针的方法探究代谢物和蛋白质之间的作用。
● 肠道菌群代谢的新作用
前述的基于荧光探针的化学蛋白质组技术揭示菌群芳香族单胺产物可激活GPRC5A-β-arrestin；Cell Host Microbe的一项研究鉴定了能够厌氧降解嘌呤的细菌分类群，通过定植嘌呤降解细菌，证实其可以调节宿主嘌呤代谢；无独有偶，Science of the Total Environment一篇文章发现来自茶叶的表没食子儿茶素‑3‑没食子酸酯（EGCG）可改善微塑料导致肠菌代谢（主要是嘌呤代谢途径）介导的焦虑。
● TCA相关代谢酶与肿瘤的新关联
本期PNAS的一项研究通过代谢流分析证实苹果酸酶2（ME2）在MYC驱动的T细胞淋巴瘤中的重要作用；Molecular Cancer的一篇论文发现Zeste homolog 2的增强子（EZH2）通过转录上调异柠檬酸脱氢酶2（IDH2）促进代谢重组，可作为一个直接的转录调节因子促进IDH2在卵巢癌中的表达。
目录
1. Cancer Cell | 甲硫氨酸限制可通过去甲基化促进cGAS活化和染色质解离和激活从而增强抗肿瘤免疫
2. Nature Communications | 通过代谢和结构分析增强药物脱靶发现能力
3. Nature Chemical Biology | 癌细胞糖酵解靶向组的化学蛋白质组学定位
4. Nature Chemical Biology | 化学蛋白质组揭示菌群芳香族单胺激活GPRC5A
5. Science of the Total Environment | EGCG调节肠道稳态以改善微塑料诱导的焦虑样行为
6. Cell Host Microbe | 肠道菌群代谢有助于维持宿主嘌呤稳态
7. PNAS | 苹果酸酶2维持的细胞氧化还原平衡对MYC驱动的T细胞淋巴瘤发生至关重要
8. Molecular Cancer | EZH2介导的代谢重组促进卵巢癌中独立于组蛋白甲基转移酶活性的肿瘤生长
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一、Cancer Cell | 甲硫氨酸限制可通过去甲基化促进cGAS活化和染色质解离和激活从而增强抗肿瘤免疫
环GMP-AMP合成酶（Cyclic GMP-AMP synthase, cGAS）是细胞质DNA的主要传感器，激活I型干扰素信号，在抗肿瘤免疫中发挥重要作用。然而，目前尚不清楚cGAS介导的抗肿瘤活性是否受营养状况的影响。本研究通过细胞实验、动物实验、临床样本分析发现甲硫氨酸饮食限制会促进cGAS激活，并增强放疗和免疫检查点抑制剂的抗肿瘤免疫表型，证实甲硫氨酸介导甲基化修饰会招募UHRF1调节cGAS染色质栓系。
1. 为了探究氨基酸是否调节cGAS-STING通路，在全氨基酸缺失的培养基中培养小鼠癌细胞，通过免疫印迹分析和定量分析发现氨基酸剥夺增强了鲱鱼睾丸DNA (HT-DNA)刺激的cGAS-STING通路的激活。随后发现甲硫氨酸剥夺以cGAS依赖性方式增强了STING/TBK1磷酸化和Ifnb1表达。而cGAMP诱导的STING/TBK1激活不受甲硫氨酸剥夺的影响。
2. 为80种赖氨酸甲基转移酶 (KMT)生成单独的敲除细胞系，细胞实验发现甲基转移酶SUV39H1敲除减少了cGAS甲基化，而甲基化缺失会减弱cGAS与DNA结合，抑制其二聚化和相变过程，降低cGAS活性，增强抗肿瘤免疫。
3. 动物实验证明肿瘤细胞和甲基化缺失、甲基化模拟修饰可抑制cGAS活性，促进肿瘤逃逸。Cgas K350R或K350M小鼠的肿瘤生长速度比野生型小鼠快，同时肿瘤中的免疫细胞浸润减少。
4. 通过蛋白质组学分析108例临床患者的结直肠癌组织阵列，发现高cGAS甲基化与KRAS/NRAS G12/13相关，但与BRAF V600E基因突变和 P53蛋白表达无关。
参考文献
Methionine restriction promotes cGAS activation and chromatin untethering through demethylation to enhance antitumor immunity. Cancer Cell. 2023.
二、Nature Communications | 通过代谢和结构分析增强药物脱靶发现能力
阐明细胞内药物靶标是一个难题，确定药物靶点的全部范围对于了解药物作用机制以及利用多价性解决耐药性问题至关重要。本研究以多价二氢叶酸还原酶靶向抗生素化合物CD15-3代谢物为研究对象，将已建立的机器学习方法与机制分析相结合，并开发了一套以代谢组学为引导的药物靶标查找工作流程。
1. 首先，对用CD15-3处理后的细胞进行非靶向代谢组学分析，获得了参与核苷酸代谢、碳水化合物代谢、辅因子和肽类等的代谢物丰度的差异，并归纳了抗叶酸、细胞膜、DNA合成、翻译和氧化应激五种潜在机制。
2. 随后，训练多类逻辑回归（LR）模型，以识别与五种潜在机制中每一种相关的代谢组学扰动，结果表明CD15-3代谢组学扰动具有抗叶酸和通用抗生素反应特征。为了进一步缩小哪些扰动与CD15-3依赖性生长抑制最直接相关，选择使用已鉴定的代谢标志物子集进行代谢补充实验，确定叶酸扰动是CD15-3的主要作用方式。
3. 进一步对CD15-3可能的替代结合靶标进行蛋白质结构相似性分析，发现叶酸生物合成途径中的几种候选上游酶，其结合口袋与二氢叶酸还原酶（DHFR）高度相似。最后，筛选并验证能够挽救CD15-3的生长抑制的酶，发现过表达folK（编码HPPK）从CD15-3诱导的生长抑制中拯救细胞。
参考文献
Empowering drug off-target discovery with metabolic and structural analysis. Nature Communications. 2023.
三、Nature Chemical Biology | 癌细胞糖酵解靶向组的化学蛋白质组学定位
过度活跃的糖酵解是大多数癌细胞的代谢特征。尽管有少量研究表明糖酵解代谢物具有作为信号分子的非代谢功能，但这些代谢物如何与它们的结合靶点相互作用并在功能上调节它们的结合靶点，目前仍未可知。该研究使用一种新的靶标发现方法—靶标响应可及性变化谱（Target-Responsive Accessibility Profiling，TRAP）技术确定了癌细胞中糖酵解代谢物的全面靶标组，揭示了糖酵解代谢物的多种调控模式，包括与代谢酶结合、影响转录输出和调控翻译后修饰水平，从而阐明了糖酵解代谢物如何作为信号分子发挥作用。
1. 首先建立TRAP技术，通过标记全蛋白组水平赖氨酸来表征蛋白的溶剂可及性，再通过比较配体结合前后蛋白位点可及性的变化，鉴定靶标及配体结合区域；具有互补于现有靶标发现方法的技术优势。
2. 利用TRAP技术，在模型癌细胞系中共定性鉴定了160,459个肽段，对应6,926个蛋白质，其中定量鉴定了159,823个肽段，对应6,913个蛋白质。并描绘了10种糖酵解代谢物的靶标组，以及2,487个相互作用，共发现913个候选靶标。
3. 进一步的机制研究揭示了糖酵解代谢物对靶标组的丰富调控模式，包含干扰碳代谢酶的活性、影响转录蛋白的功能及靶标的翻译后修饰水平等。
4. 确证了癌细胞中糖酵解代谢物除了参与代谢层面的活动以外，还作为信号分子发挥全局调控功能，为后续基于糖酵解代谢物的靶标组挖掘癌症治疗靶点提供了重要的线索与数据资源。
参考文献
Chemoproteomic mapping of the glycolytic targetome in cancer cells. Nature Chemical Biology. 2023.
四、Nature Chemical Biology | 化学蛋白质组揭示菌群芳香族单胺激活GPRC5A
菌群产生多种代谢物，如吲哚-3-乙酸 (IAA) 和色胺 (TA)，具有调节宿主的肠屏障功能、抑制抗肿瘤免疫、促进肠道蠕动等作用。尽管菌群代谢物已被证明与各种细胞蛋白结合，但界定菌群代谢物的蛋白靶标并确定其作用机制仍是难题。本研究开发了 IAA 和 TA 的光亲和报告基因用于化学蛋白质组学分析，并发现菌群芳香族单胺产物可刺激 GPRC5A-β-arrestin 募集。
1. 研究团队在HEK293T细胞中使用异生素反应元件 (XRE) 驱动的荧光素酶报告基因，发现探针x-alk-IAA（剂量依赖）能光交联 HA 标记的 AhR，并受紫外线的显著影响。光交联中存在一些此前未报道的孤立或推定的 G蛋白偶联受体GPCR 的小分子配体（GPRC5A、GPR107 和 GPR108）。
2. PRESTO-Tango测试发现TA 最有效地激活 GPRC5A；与 x-alk-IAA 相比，x-alk-TA更有效地光交联 GPRC5A；凝胶内荧光分析和化学蛋白质组学分析显示，x-alk-TA 组观察到的蛋白约为x-alk-IAA 的4倍。苯乙胺 (PEA)表现出与 TA 相当的活性，而酪胺和组胺对 GPRC5A 基本无活性，表明只有芳香族单胺可有效诱导 β-arrestin 募集。
3. 团队通过筛选菌群，结合靶向液相色谱-质谱 (LC-MS)后发现，只有产生高水平的芳香族单胺激动剂或PEA，同时表达aAAs脱羧酶的菌群才能激活GPRC5A；体内外酶活实验结合高通量PRESTO-Tango筛选，团队确定了三种酶将 Phe 脱羧为 PEA 以激活 GPRC5A。
4. 化合物芳香部分和烷基胺部分对GPRC5A的激活是必要的。7-氟色胺的有效性约是TA的五倍，多种 PEA 衍生物可激活 GPRC5A。突变实验表明，GPRC5A 的N252 和F256位氨基酸对激活至关重要。
参考文献
Chemoproteomics reveals microbiota-derived aromatic monoamine agonists for GPRC5A. Nature Chemical Biology. 2023.
五、Science of the Total Environment | EGCG调节肠道稳态以改善微塑料诱导的焦虑样行为
聚苯乙烯微塑料(PS‑MPs)是现代社会无处不在的污染物。PS‑MPs汇集在食物链顶端动物（人类）体内并对器官产生多种毒性，包括肠道、肝脏和大脑等。然而，PS‑MPs对哺乳动物的焦虑样行为和潜在机制仍不清楚。本研究发现小鼠暴露于PS‑MPs会引发海马体和焦虑样行为；表没食子儿茶素‑3‑没食子酸酯（EGCG）通过重塑肠道菌群和血清代谢物，有效改善相关症状。
1. 团队在表型研究中发现，PS‑MPs诱导小⿏产生焦虑样行为；组织染色和定量实验发现TLR4/Myd88/NF‑κB通路被激活导致海马神经炎症。同时，PS‑MPs 扰乱了肠道菌群（16S），破坏了肠道屏障，增加了外周炎症；此外，非靶向代谢组学（LC-MS）发现，血清代谢物也被改变。消除肠道菌群后，可改善焦虑样行为和相关症状。
2. 服用EGCG可以优化PS‑MPs导致的菌群多样性改变，有害菌减少、有益菌增加；组织学和蛋白定量表明其增强了肠道屏障功能，改善了 PS‑MPs 介导的肠道稳态损伤和外周炎症升高。
3. 血清非靶向代谢组研究发现，补充EGCG后表现为嘌呤代谢途径被主要改善。行为学上，EGCG改善了暴露于 PS‑MPs 引起的焦虑样行为。组织学上，海马炎症被显著抑制。相关性分析发现益生菌Faecalibaculum和 Akkermansia与外周炎症标志物（LPS、IL‑1β、 IL‑6 和 TNF‑α）显著负相关。
参考文献
Epigallocatechin-3-gallate ameliorates polystyrene microplastics-induced anxiety-like behavior in mice by modulating gut microbe homeostasis. Science of the Total Environment. 2023.
六、Cell Host Microbe | 肠道菌群代谢有助于维持宿主嘌呤稳态
饮食对疾病进展的贡献通常是由肠道微生物组介导，而肠道微生物组可对新陈代谢和炎症性疾病产生深远的影响，但影响宿主炎症性疾病进展的微生物和微生物途径在很大程度上仍未确定。本研究发现动脉粥样硬化负荷的变化部分是由肠道微生物群驱动的，并且与小鼠和人类的循环尿酸(UA)水平有关。
1. 将来自具有不同动脉粥样硬化表型的小鼠品系的微生物群落移植到无菌（GF）载脂蛋白E敲除（ApoE KO）小鼠中，发现动脉粥样硬化负荷的变化部分是由肠道微生物群驱动的，并且与小鼠和人类嘌呤代谢的终产物-尿酸（UA）水平有关。
2. 在分别补充UA作为碳和能量的主要来源的培养基上使用粪便浆液进行厌氧富集，发现人类肠道细菌可厌氧降解嘌呤。进一步鉴定了能够厌氧降解嘌呤的细菌分类群，随后用嘌呤降解细菌定殖的克隆生物小鼠，发现其可以调节肠道和全身UA和其他嘌呤的水平。
3. 运用转录组分析鉴定了多种嘌呤厌氧生长所需的细菌基因，并进一步发现编码厌氧嘌呤降解所需关键成分的细菌基因簇允许多种嘌呤的厌氧生长，且嘌呤降解所需的基因在肠道细菌中广泛存在。
4. 将含有这些基因的细菌类群与ApoE无菌小鼠盲肠中定量的嘌呤相关代谢物水平相关联，结果显示几种嘌呤相关代谢物的盲肠水平与参与厌氧嘌呤降解的基因丰度呈负相关，突出了这些基因作为嘌呤在肠道中分解的生物标志物的潜力。
参考文献
Gut bacterial metabolism contributes to host global purine homeostasis. Cell Host Microbe. 2023.
七、PNAS | 苹果酸酶2维持的细胞氧化还原平衡对MYC驱动的T细胞淋巴瘤发生至关重要
T细胞淋巴瘤（TCLs）是一组罕见的、高异质性的肿瘤。已发现原癌基因MYC在驱动T细胞淋巴瘤发生中具有重要作用，但目前仍不清楚MYC是如何发挥作用促进T细胞淋巴瘤发生的。苹果酸酶是依赖NADP+（NAD+）将苹果酸氧化成丙酮酸同时产生NADPH（NADH）的代谢酶，连接了细胞的谷氨酰胺代谢和葡萄糖代谢。本研究揭示了苹果酸酶2（ME2）在MYC驱动的TCL中的重要作用，为临床上TCL的治疗提供新的策略。